Przepływ w ośrodku porowatym

Powierzchnia Ziemi i wielu innych ciał niebieskich pokryta jest regolitem. Tak nazywamy warstwę rozdrobnionego materiału skalnego. Na Ziemi warstwa ta zawiera w sobie glebę. Nie stosujemy jednak nazwy „gleba” do regolitu na innych planetach. Regolit, a także wiele skał wykazują pewną porowatość, czyli zawierają puste miejsca, które może wypełniać ciecz lub gaz. Także wiele spójnych skał wykazuje pewną porowatość. Porowatość danej skały to wielkość:

Porowatość [%] = (objętość porów)/(objętość całości) .

Inną ważną dla nas wielkością jest współczynnik przepuszczalności skały. Jeżeli wskutek różnicy ciśnienia Δp przez skałę o grubości d przepływać będzie ciecz o lepkości η z prędkością u to współczynnik przepuszczalności wynosi:

K=u η d /Δp.

Jednostką K jest jak widać m2, lecz w praktyce powszechnie stosuje się jednostkę Darcy (D) równą: 1D=0,986923 1012 m2, lub jeszcze mniejszą jednostkę:  milidarcy (mD)=10-3 D. Dobra przepuszczalność (np. piasków) to od 1 D do 1000 D, zaś niską przepuszczalność mają niespękane skały (np. dla granitu jest to ok. 10-7 D).

Ruchem cieczy i gazów w skałach przepuszczalnych zajmuje się tzw. hydrodynamika podziemna.

Czynniki napędzające ruch cieczy w ośrodku porowatym:

  1. Różnica poziomów, przekłada się na różnicę ciśnienia: Rys.1. Jest to typowy czynnik powodujący ruch wody gruntowej. Woda przepływa z miejsc, gdzie poziom wody gruntowej jest wysoki (np. wskutek obfitych opadów) do miejsca gdzie poziom ten jest niski. Jeżeli pod gruntem znajduje się nachylona warstwa nieprzepuszczalna to woda spływa po niej podobnie jak po zboczu góry (symbolizuje to trójkąt lewym dolnym rogu rysunku).

Rysunek 1.

Rysunek 1.

  1. Ciśnienie gazu. Często w złożu z węglowodorami płynnymi występują też gazy. W przypadku korzystnego ukształtowania warstw ropa może napływać do otworu wydobywczego wskutek ciśnienia gazu – Rys. 2. W celu większego wydobycia stosuje się różne techniki, m.in. gaz może też być pompowany   specjalnie, różnymi metodami zwiększa się przepuszczalność skał, itp.
Rysunek 2

Rysunek 2

  1. Konwekcja cieplna w porowatym ośrodku. Chociaż ruch cieczy w ośrodku porowatym jest opisany innymi równaniami niż zwykłej cieczy, to także możliwa jest konwekcja cieplna (np. publikacje [1] i [2] )

4.Efekty sił napięcia powierzchniowego –ważne na małą skalę

 

L. Czechowski

 

Filmy na powyższy temat:

https://www.youtube.com/watch?v=moXeE2wIujI

https://www.youtube.com/watch?v=zrewtz42Gmg

https://www.youtube.com/watch?v=8mfBomrw0rs

 

Prace naukowe:

[1] Badania przepływu w ośrodkach porowatych prowadzone są na Wydziale Geologii (np. [1]) jak i na Wydziale Fizyki [2, 3].

[1] Jerzy J. Małecki. 2006. The role of evapotranspiration in the formation of the chemical composition of shallow groundwater (the Polish Tatras) Acta Geologica Polonica, 56, 4 r. 2006, 485-492.

[2] Leszek Czechowski, Konrad Kossacki, 2009.Thermal convection in the porous methane-soaked regolith of Titan: Investigation of stability. Icarus, 202, 2, 599-609

[3] Leszek Czechowski i Konrad Kossacki, 2012.Thermal convection in the porous methane-soaked regolith in Titan: Finite amplitude convection. Icarus, 217, 1, 130-143.